Что нужно для программирования микроконтроллеров? AVR. Учебный Курс
Итак, что вообще такое микроконтроллер (далее МК)? Это, условно говоря, маленький компьютер, размещенный в одной интегральной микросхеме. У него есть процессор (арифметическо-логическое устройство, или АЛУ), flash-память, EEPROM-память, множество регистров, порты ввода-вывода, а также дополнительные «навороты», такие как таймеры, счетчики, компараторы, USARTы и т. п. Микроконтроллер после подачи питания загружается и начинает выполнять программу, записанную в его flash-памяти. При этом он может через порты ввода/вывода управлять самыми разнообразными внешними устройствами.
Что же это означает? Это значит, что в МК можно реализовать любую логическую схему, которая будет выполнять определенные функции. Это значит, что МК – микросхема, внутреннее содержимое которой, фактически, мы создаем сами. Что позволяет, купив несколько совершенно одинаковых МК, собрать на них совершенно разные схемы и устройства. Если вам захочется внести какие-либо изменения в работу электронного устройства, то не нужно будет использовать паяльник, достаточно будет лишь перепрограммировать МК. При этом не нужно даже вынимать его из вашего дивайса, если вы используете AVR, т. к. эти МК поддерживают внутрисхемное программирование. Таким образом, микроконтроллеры ликвидируют разрыв между программированием и электроникой.
AVR – это 8-битные микроконтроллеры, т. е. их АЛУ может за один такт выполнять простейшие операции только с 8-ми битными числами. Теперь пора поговорить о том, какой МК мы будем использовать. Я работаю с МК ATMega16. Он очень распространенный и приобрести его можно практически в любом магазине радиодеталей где-то за 100 руб. Если вы его не найдете – тогда можно купить любой другой МК серии MEGA, но в этом случае придется искать к нему документацию, т. к. одни и те же «ножки» разных МК могут выполнять разные функции, и, подключив, казалось бы, правильно все выводы, вы, может быть, получите рабочее устройство, а, может быть, лишь облако вонючего дыма. При покупке ATMega16 проверьте, чтобы он был в большом 40-ножечном DIP-корпусе, а также купите к нему панельку, в которую его можно будет вставить. Для работы с ним потребуются также дополнительные устройства: светодиоды, кнопки, разъемы и т. п..
ATMega16 обладает очень большим количеством самых разнообразных функций. Вот некоторые его характеристики:
- Максимальная тактовая частота – 16 МГц (8 МГц для ATMega16L)
- Большинство команд выполняются за один такт
- 32 8-битных рабочих регистра
- 4 полноценных 8-битных порта ввода/вывода
- два 8-битных таймера/счетчика и один 16-битный
- 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
- внутренний тактовый генератор на 1 МГц
- аналоговый компаратор
- интерфейсы SPI, I2C, TWI, RS-232, JTAG
- внутрисхемное программирование и самопрограммирование
- модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
Полные характеристики этого устройства, а также инструкции по их применению можно найти в справочнике (Datasheetе) к этому МК. Правда, он на английском языке. Если вы знаете английский, то обязательно скачайте этот Datasheet, в нем много полезного.
Приступим, наконец, к делу. Я рекомендую изготовить для микроконтроллера специальную макетно-отладочную плату, на которой можно будет без паяльника (или почти без него) собрать любую электрическую схему с микроконтроллером. Использование такой платы значительно облегчит работу с МК и ускорит процесс изучения его программирования. Выглядит это так:
Что для этого понадобится?
Во-первых, потребуется сама плата. Я купил уже готовую в магазине радиодеталей за 115 руб. Потом припаял к ней все необходимые детали. Получилась неимоверно удобная вещь, на которой можно за считанные минуты собрать какую-либо электрическую схему путем перетыкания шлейфов и установки микросхем и индикаторов.
Для соединения элементов схемы очень удобно использовать шлейфы, на концах которых установлены разъемы. Эти разъемы надеваются на «ножки», торчащие рядом с каждым портом МК. Микроконтроллер следует устанавливать в панельку, а не припаивать к плате, иначе его очень трудно будет вынуть в случае, если вы его случайно сожжете. Ниже приведена цоколевка МК ATMEGA16:
Поясним, какие ножки нас сейчас интересуют.
- VCC – сюда подается питание (4,5 – 5,5 В) от стабилизированного источника
- GND – земля
- RESET – сброс (при низком уровне напряжения)
- XTAL1, XTAL2 – сюда подключается кварцевый резонатор
- PA, PB, PC, PD – порты ввода/вывода (A, B, C и D соответственно).
В качестве источника питания можно использовать все, что выдает 7-11 В постоянного тока. Для стабильной работы МК нужно стабилизированное питание. В качестве стабилизатора можно использовать микросхемы серии 7805. Это линейные интегральные стабилизаторы, на вход которых подают 7-11 В постоянного нестабилизированного тока, а на выходе получают 5 В стабилизированного. Перед 7805 и после него нужно поставить фильтрующие конденсаторы (электролитические для фильтрации помех низких частот и керамические для высоких). Если не удается найти стабилизатор, то можно в качестве источника питания использовать батарейку на 4,5 В. От нее МК нужно питать напрямую.
Ниже приведу схему подключения МК:
Давайте теперь разберемся, что здесь для чего.
BQ1 – это кварцевый резонатор, задающий рабочую частоту МК. Можно поставить любой до 16 МГц, но, поскольку мы планируем работать в будущем и с COM-портом, то рекомендую использовать резонаторы на следующие частоты: 14,7456 МГц, 11,0592 МГц, 7,3725 МГц, 3,6864 МГц или 1,8432 МГц (позже станет ясно, почему). Я использовал 11,0592 МГц. Понятное дело, что чем больше частота, тем выше и скорость работы устройства.
R1 – подтягивающий резистор, который поддерживает напряжение 5 В на входе RESET. Низкий уровень напряжения на этом входе означает сброс. После сброса МК загружается (10 – 15 мс) и начинает выполнять программу заново. Поскольку это высокоомный вход, то нельзя оставлять его «болтающимся в воздухе» - небольшая наводка на нем приведет к непредвиденному сбросу МК. Именно для этого и нужен R1. Для надежности рекомендую также установить конденсатор С6 (не более 20 мкФ).
SB1 – кнопка сброса.
Кварцевый резонатор и фильтрующий конденсатор C3 должны располагаться как можно ближе к МК (не далее 5-7 см), т. к. иначе могут возникать наводки в проводах, приводящие к сбоям в работе МК.
Синим прямоугольником на схеме обведен собственно программатор. Его удобно выполнить в виде провода, один конец которого втыкается в LPT порт, а другой – в некий разъем рядом с МК. Провод не должен быть чрезмерно длинным. Если возникнут проблемы с этим кабелем (обычно не возникают, но всякое бывает) то придется спаять адаптер Altera ByteBlaster. О том, как это сделать, написано в описании к программатору AVReal.
Теперь, когда разобрались с железом, пора перейти к программному обеспечению.
Для программирования AVR есть несколько сред разработки. Во-первых, это AVR Studio – официальная система программирования от Atmel. Она позволяет писать на ассемблере и отлаживать программы, написанные на ассемблере, С и С++. IAR – это коммерческая система программирования на C, С++ и ассемблере. WinAVR – компилятор с открытыми исходниками. AtmanAVR – система программирования для AVR с интерфейсом, почти «один в один» таким же, как у Visual C++ 6. AtmanAVR также позволяет отлаживать программы и содержит множество вспомогательных функций, облегчающих написание кода. Эта система программирования коммерческая, но, согласно лицензии, ее можно в течение месяца использовать «нахаляву».
Я предлагаю начать работу с IAR как с наиболее «прозрачной» средой разработки. В IAR проект целиком создается «ручками», соответственно, сделав несколько проектов, вы уже будете четко знать, что означает каждая строчка кода и что будет, если ее изменить. При работе же с AtmanAVR придется либо пользоваться предварительно созданным шаблоном, который очень громоздкий и трудный для понимания для человека, не имеющего опыта, либо иметь множество проблем с заголовочными файлами при сборке проекта «с нуля». Разобравшись с IAR, мы впоследствии рассмотрим другие компиляторы.
Итак, для начала раздобудьте IAR. Он очень распространен и его нахождение не должно быть проблемой. Скачав где-либо IAR 3.20, устанавливаем компилятор / рабочую среду, и запускаем его. После этого можно начинать работу.
Запустив IAR, выбираем file / new / workspace , выбираем путь к нашему проекту и создаем для него папку и даем имя, например, «Prog1». Теперь создаем проект: Project / Create new project… Назовем его также – «Prog1». Щелкаем правой кнопкой мыши на заголовке проекта в дереве проектов и выбираем «Options»
Здесь будем настраивать компилятор под конкретный МК. Во-первых, нужно выбрать на вкладке Target тип процессора ATMega16, на вкладке Library Configuration установить галочку Enable bit definitions in I/O-include files (чтобы можно было использовать в коде программы имена битов различных регистров МК), там же выбрать тип библиотеки С/ЕС++. В категории ICCAVR нужно на вкладке Language установить галочку Enable multibyte support, а на вкладке Optimization выключить оптимизацию (иначе она испортит нашу первую программу).
Далее выбираем категорию XLINK. Здесь нужно определить формат откомпилированного файла. Поскольку сейчас мы задаем опции для режима отладки (Debug), о чем написано в заголовке, то на выходе нужно получить отладочный файл. Позже мы его откроем в AVR Studio. Для этого нужно выбрать расширение.cof, а тип файла – ubrof 7.
Теперь нажимаем ОК, после чего меняем Debug на Release.
Снова заходим в Options, где все параметры, кроме XLINK, выставляем те же. В XLINK меняем расширение на.hex, а формат файла на intel-standart.
Вот и все. Теперь можно приступать к написанию первой программы. Создаем новый Source/text и набираем в нем следующий код:
#include "iom16.h" short unsigned int i; void main (void ) { DDRB = 255; PORTB = 0; while (1) { if (PORTB == 255) PORTB = 0; else PORTB++; for (i=0; iФайл «iom16.h» находится в папке (C:\Program Files)\IAR Systems\Embedded Workbench 3.2\avr\inc . Если вы используете другой МК, например, ATMega64, то выбирайте файл «iom64.h». В этих заголовочных файлах хранится информация о МК: имена регистров, битов в регистрах, определены имена прерываний. Каждая отдельная «ножка» порта A, B, C или D может работать либо как вход, либо как выход. Это определяется регистрами Data Direction Register (DDR). 1 делает «ножку» выходом, 0 – входом. Таким образом, выставив, например, DDRA = 13, мы делаем выходами «ножки» PB0, PB2, PB3, остальные – входы, т.к. 13 в двоичном коде будет 00001101.
PORTB – это регистр, в котором определяется состояние «ножек» порта. Записав туда 0, мы выставляем на всех выходах напряжение 0 В. Далее идет бесконечный цикл. При программировании МК всегда делают бесконечный цикл, в котором МК выполняет какое-либо действие, пока его не сбросят или пока не произойдет прерывание. В этом цикле пишут как бы «фоновый код», который МК выполняет в самую последнюю очередь. Это может быть, например, вывод информации на дисплей. В нашем же случае увеличивается содержимое регистра PORTB до тех пор, пока он не заполнится. После этого все начинается сначала. Наконец, цикл for на десять тысяч тактов. Он нужен для формирования видимой задержки в переключении состояния порта В.
Теперь сохраняем этот файл в папке с проектом как Prog1.c, копируем в папку с проектом файл iom16.h, выбираем Project/Add Files и добавляем «iom16.h» и «Prog1.c». Выбираем Release, нажимаем F7, программа компилируется и должно появиться сообщение:
| Total number of errors: 0 |
| Total number of warnings: 0 |
Приведу фотографию своего программатора:
Скачиваем программатор AVReal. Копируем его (AVReal32.exe) в папку Release/exe, где должен лежать файл Prog1.hex. Подаем питание на МК, подключаем кабель-программатор. Открываем Far Manager (в нем наиболее удобно прошивать МК), заходим в эту папку, нажимаем Ctrl+O. Поскольку у нас совершенно новый МК, то набиваем
avreal32.exe +MEGA16 -o11.0592MHZ -p1 -fblev=0,jtagen=1,cksel=F,sut=1 –w
Не забудьте правильно указать частоту, если используете не 11059200 Гц! При этом в МК прошиваются т.н. fuses – регистры, управляющие его работой (использование внутреннего генератора, Jtag и т.п.). После этого он готов к приему первой программы. Программатору в качестве параметров передают используемый LPT-порт, частоту, имя файла и другие (все они перечислены в описании к AVReal). Набираем:
Avreal32.exe +Mega16 -o11.0592MHz -p1 -e -w -az -% Prog1.hex
В случае правильного подключения программатор сообщит об успешном программировании. Нет гарантии, что это получится с первого раза (при первом вызове программы). У меня самого бывает программируется со второго раза. Возможно, LPT-порт глючный или возникают наводки в кабеле. При возникновении проблем тщательно проверьте свой кабель. По своему опыту знаю, что 60% неисправностей связаны с отсутствием контакта в нужном месте, 20% - с наличием в ненужном и еще 15% - с ошибочной пайкой не того не к тому. Если ничего не получится, читайте описание к программатору, попробуйте собрать Byte Blaster.
Предположим, у вас все работает. Если теперь подключить к порту В МК восемь светодиодов (делайте это в выключенном состоянии МК, и желательно последовательно со светодиодами включить резисторы в 300-400 Ом) и подать питание, то произойдет маленькое чудо – по ним побежит «волна»!
© Киселев Роман
Май 2007
Я не раз и не два говорил, что изучение МК надо начинать с ассемблера. Этому был посвящен целый курс на сайте (правда он не очень последовательный, но постепенно я его причесываю до адекватного вида) . Да, это сложно, результат будет не в первый день, но зато ты научишься понимать что происходит у тебя в контроллере. Будешь знать как это работает, а не по обезьяньий копировать чужие исходники и пытаться понять почему оно вдруг перестало работать. Кроме того, Си намного проще натворить быдлокода, который вылезет вилами в самый неподходящий момент.
К сожалению все хотят результат немедленно. Поэтому я решил пойти с другой стороны — сделать обучалку по Си, но с показом его нижнего белья. Хороший программист-эмбеддер всегда крепко держит свою железку за шкварник, не давая ей ни шагу ступить без разрешения. Так что будет вначале Си код, потом то что родил компилятор и как все это работает на самом деле:)
С другой стороны у Си сильная сторона это переносимость кода. Если, конечно, писать все правильно. Разделяя алгоритмы работы и их железные реализации в разные части проекта. Тогда для переноса алгоритма в другой МК достаточно будет переписать только интерфейсный слой, где прописано все обращение к железу, а весь рабочий код оставить как есть. И, конечно же, читаемость. Сишный исходник проще понять с первого взгляда (хотя.. мне, например, уже пофигу на что фтыкать — хоть си, хоть асм:)), но, опять же, если правильно все написать. Этим моментам я тоже буду уделять внимание.
В качестве подопытной железки на которой будет ставиться львинная доля всех примеров будет моя отладочная плата .
Первая программа на Си для AVR
Выбор компилятора и установка среды
Для AVR существует множество разных компиляторов Си:
В первую очередь это IAR AVR C
— почти однозначно признается лучшим компилятором для AVR, т.к. сам контроллер создавался тесном сотрудничистве Atmel и спецов из IAR. Но за все приходится платить. И этот компилятор мало того, что является дорогущим коммерческим софтом, так еще обладает такой прорвой настроек, что просто взять и скомпилить в нем это надо постраться. У меня с ним правда не срослось дружбы, проект загнивал на странных ошибках на этапе линковки (позже выяснил, что это был кривой кряк).
Вторым идет WinAVR GCC — мощный оптимизирующий компилятор. Полный опенсорц, кроссплатформенный, в общем, все радости жизни. Еще он отлично интегрируется в AVR Studio позволяя вести отладку прямо там, что адски удобно. В общем, я выбрал его.
Также есть CodeVision AVR C
— очень популярный компилятор. Стал популярен в связи со своей простотой. Рабочую программу в нем получить можно уже через несколько минут — мастер стартового кода этом сильно способствует, штампуя стандартыне инициализации всяких уартов. Честно говоря, я как то с подозрением к нему отношусь — как то раз приходилось дизасмить прогу написаную этим компилером, каша какая то а не код получалась. Жуткое количество ненужных телодвижений и операций, что выливалось в неслабый обьем кода и медленное быстродействие. Впрочем, возможно тут была ошибка в ДНК писавшего исходную прошивку. Плюс он хочет денег. Не так много как IAR, но ощутимо. А в деморежиме дает писать не более чем 2кб кода.
Кряк конечно есть, но если уж воровать, так миллион, в смысле IAR:)
Еще есть Image Craft AVR C и MicroC от микроэлектроники. Ни тем ни другим пользоваться не приходилось, но вот SWG очень уж нахваливает MicroPascal , мол жутко удобная среда программирования и библиотеки. Думаю MicroC не хуже будет, но тоже платный.
Как я уже сказал, я выбра WinAVR по трем причинам: халявный, интегрируется в AVR Studio и под него написана просто прорва готового кода на все случаи жизни.
Так что качай себе инсталяху WinAVR с и AVR Studio. Далее вначале ставится студия, потом, сверху, накатывается WinAVR и цепляется к студии в виде плагина. Настоятельно рекомендую ставить WinAVR по короткому пути, что то вроде C:\WinAVR тем самым ты избежишь кучи проблем с путями.
Cоздание проекта
Итак, студия поставлена, Си прикручен, пора бы и попробовать что нибудь запрограммировать. Начнем с простого, самого простого. Запускай студию, выбирай там новый проект, в качестве компилятора AVR GCC и вписывай название проекта.
Открывается рабочее поле с пустым *.c файлом.
Теперь не помешает настроить отображение путей в закладках студии. Для этого слазь по адресу:
Меню Tools — Options — General — FileTabs и выбираем в выпадающем списке «Filename Only». Иначе работать будет невозможно — на вкладке будет полный путь файла и на экране будет не более двух трех вкладок.
Настройка проекта
Вообще, классическим считается создание make файла в котором бы были описаны все зависимости. И это, наверное, правильно. Но мне, выросшему на полностью интегрированных IDE вроде uVision
или AVR Studio
этот подход является глубоко чуждым. Поэтому буду делать по своему, все средствами студии.
Тыкай в кнопку с шестеренкой.
 |
Это настройки твоего проекта, а точнее настройки автоматической генерации make файла. На первой странице надо всего лишь вписать частоту на которой будет работать твой МК. Это зависит от фьюз битов, так что считаем что частота у нас 8000000Гц.
Также обрати внимание на строку оптимизации. Сейчас там стоит -Os это оптимизация по размеру. Пока оставь как есть, потом можешь попробовать поиграться с этим параметром. -O0 это отстутсвие оптимизации вообще.
Следующим шагом будет настройка путей. Первым делом добавь туда директорию твоего проекта — будешь туда подкладывать сторонние библиотеки. В списке появится путь «.\»
Make файл сгенерирован, его ты можешь поглядеть в папке default в своем проекте, просто пробегись глазами, посмотри что там есть.
 |
На этом пока все. Жми везде ОК и переходи в исходник.
Постановка задачи
Чистый лист так и подмывает воплотить какую нибудь хитрую задумку, так как банальное мигание диодом уже не вставляет. Давай уж сразу брать быка за рога и реализуем связь с компом — это первым делом что я делаю.
Работать будет так:
При приходе по COM порту единички (код 0х31) будем зажигать диодик, а при приходе нуля (код 0х30) гасить. Причем сделано будет все на прерываниях, а фоновой задачей будет мигание другого диода. Простенько и со смыслом.
Собираем схему
Нам надо соединить модуль USB-USART конвертера с выводами USART микроконтроллера. Для этого берем перемычку из двух проводков и накидывам на штырьки крест накрест. То есть Rx контроллера соединяем с Tx конвертера, а Tx конвертера с Rx контроллера.
Получится, в итоге вот такая схема:
 |
Подключение остальных выводов, питания, сброса не рассматриваю, оно стандартное
Пишем код
Сразу оговорюсь, что я не буду углубляться конкретно в описание самого языка Си. Для этого существует просто колоссальное количество материала, начиная от классики «Язык программирования Си» от K&R и заканчивая разными методичками.
Одна такая метода нашлась у меня в загашнике, я когда то именно по ней изучал этот язык. Там все кратко, понятно и по делу. Я ее постепенно верстаю и перестаскиваю на свой сайт.
Там правда еще не все главы перенесены, но, думаю, это ненадолго.
Вряд ли я опишу лучше, поэтому из учебного курса, вместо подробного разьяснения сишных тонкостей, я буду просто давать прямые линки на отдельные страницы этой методички.
Добавляем библиотеки.
Первым делом мы добавляем нужные библиотеки и заголовки с определениями. Ведь Си это универсальный язык и ему надо обьяснить что мы работаем именно с AVR, так что вписывай в исходник строку:
| 1 | #include |
#include
Этот файл находится в папке WinAVR и в нем содержится описание всех регистров и портов контроллера. Причем там все хитро, с привязкой к конкретному контроллеру, который передается компилятором через make файл в параметре MCU и на основании этой переменной в твой проект подключается заголовочный файл с описанием адресов всех портов и регистров именно на этот контроллер. Во как! Без него тоже можно, но тогда ты не сможешь использовать символические имена регистров вроде SREG или UDR и придется помнить адрес каждого вроде «0xC1», а это голову сломать.
Сама же команда #include <имя файла> позволяет добавить в твой проект содержимое любого текстового файла, например, файл с описанием функций или кусок другого кода. А чтобы директива могла этот файл найти мы и указывали пути к нашему проекту (директория WinAVR там уже по дефолту прописана).
Главная функция.
Программа на языке Си вся состоит из функций. Они могут быть вложенными и вызываться друг из друга в любом порядке и разными способами. Каждая функция имеет три обязательных параметра:
- Возвращаемое значение, например, sin(x) возвращает значение синуса икс. Как в математике, короче.
- Передаваемые параметры, тот самый икс.
- Тело функции.
Все значения передаваемые и возвращаемые обязаны быть какого либо типа, в зависимости от данных.
Любая программа на Си должна содержать функцию main как точку входа в главную прогрмму, иначе это нифига не Си:). По наличию main в чужом исходнике из миллиона файлов можно понять, что это и есть головная часть программы откуда начинается все. Вот и зададим:
| 1 2 3 4 5 | int main(void ) { return 0 ; } |
int main(void) { return 0; }
Все, первая простейшая программа написана, не беда что она ничего не делает, мы же только начали.
Разберем что же мы сделали.
int
это тип данных которая функция main возвращает.
Конечно, в микроконтроллере main ничего вернуть в принципе не может и по идее должна быть void main(void) , но GCC изначально заточен на PC и там программа может вернуть значение операционной системе по завершении. Поэтому GCC на void main(void) ругается Warning’ом.
Это не ошибка, работать будет, но я не люблю варнинги.
void это тип данных которые мы передаем в функцию, в данном случае main также не может ничего принять извне, поэтом void — пустышка. Заглушка, применяется тогда когда не надо ничего передавать или возвращать.
Вот такие вот { } фигурные скобочки это программный блок, в данном случае тело функции main , там будет распологаться код.
return
— это возвращаемое значение, которое функция main отдаст при завершении, поскольку у нас int, то есть число то вернуть мы должны число. Хотя это все равно не имеет смысла, т.к. на микроконтроллере из main нам выходить разве что в никуда. Я возвращаю нуль. Ибо нефиг. А компилятор обычно умный и на этот случай код не генерит.
Хотя, если извратиться, то из main
на МК выйти можно — например вывалиться в секцию бутлоадера и исполнить ее, но тут уже потребуется низкоуровневое ковыряние прошивки, чтобы подправить адреса перехода. Ниже ты сам увидишь и поймешь как это сделать. Зачем? Вот это уже другой вопрос, в 99.999% случаев это нафиг не надо:)
Сделали, поехали дальше. Добавим переменную, она нам не особо нужна и без нужны вводить переменные не стоит, но мы же учимся. Если переменные добавляются внутри тела функции — то они локальные и существуют только в этой функции. Когда из функции выходишь эти переменные удаляются, а память ОЗУ отдается под более важные нужды. .
| 1 2 3 4 5 6 | int main(void ) { unsigned char i; return 0 ; } |
int main(void) { unsigned char i; return 0; }
unsigned
значит беззнаковый. Дело в том, что в двоичном представлении у нас старший бит отводится под знак, а значит в один байт (char) влазит число +127/-128, но если знак отбросить то влезет уже от 0 до 255. Обычно знак не нужен. Так что unsigned
.
i
— это всего лишь имя переменной. Не более того.
Теперь надо проинициализировать порты и UART . Конечно, можно взять и подключить библиотеку и вызвать какой нибудь UartInit(9600); но тогда ты не узнаешь что же произошло на самом деле.
Делаем так:
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | int main(void ) { unsigned char i; #define XTAL 8000000L #define baudrate 9600L #define bauddivider (XTAL/(16*baudrate)-1) #define HI(x) ((x)>>8) #define LO(x) ((x)& 0xFF) UBRRL = LO(bauddivider) ; UBRRH = HI(bauddivider) ; UCSRA = 0 ; UCSRB = 1 << RXEN| 1 << TXEN| 1 << RXCIE| 0 << TXCIE; UCSRC = 1 << URSEL| 1 << UCSZ0| 1 << UCSZ1; } |
int main(void)
{
unsigned char i;
#define XTAL 8000000L
#define baudrate 9600L
#define bauddivider (XTAL/(16*baudrate)-1)
#define HI(x) ((x)>>8)
#define LO(x) ((x)& 0xFF)
UBRRL = LO(bauddivider);
UBRRH = HI(bauddivider);
UCSRA = 0;
UCSRB = 1< Страшна? На самом деле реалного кода тут всего пять последних строк. Все что #define
это макроязык препроцессора. Почти та же ботва, что и в Ассемблере, но синтаксис несколько иной. Они облегчат твои рутинные операции по вычислении нужных коэффициентов. В первой строке мы говорим что вместо XTAL
можно смело подставлять 8000000, а L
— указание типа, мол long — это тактовая частота процессора. То же самое baudrate
— частота передачи данных по UART. bauddivider
уже сложней, вместо него будет подставлятся выражение вычисленное по формуле из двух предыдущих. Так что все что сделано как #define
можно смело выкинуть, а нужные числа подсчитать на калькуляторе и сразу же вписать их в строки UBBRL = …. и UBBRH = ….. Можно. Но! Делать этого КАТЕГОРИЧЕСКИ НЕЛЬЗЯ
! Работать будет и так и эдак, но у тебя в программе появятся так называемые магические числа
— значения взятые непонятно откуда и непонятно зачем и если ты через пару лет откроешь такой проект то понять что это за значения будет чертовски трудно. Да и сейчас, захочешь ты изменить скорость, или поменяешь частоту кварца и все придется пересчитывать заново, а так поменял пару циферок в коде и все само. В общем, если не хочешь прослыть быдлокодером, то делай код таким, чтобы он легко читался, был понятен и легко модифицировался. Дальше все просто:
Запись вида 1< Готово, пора бы посмотреть что получилось. Жми на компиляцию и запуск эмуляции (Ctrl+F7). Отладка
Дело в том, что изначально, на самом деле, она стояла на строке UBRRL = LO(bauddivider); Ведь то что у нас в define это не код, а просто предварительные вычисления, вот симулятор немного и затупил. Но теперь он осознал, первая инструкция выполнена и если ты залезешь в дерево I/O View
, в раздел USART и поглядишь там на байт UBBRL то увидишь, что там значение то уже есть! 0х33. Сделай еще один шаг. Погляди как изменится содержимое другого регистра. Так прошагай их все, обрати внимание на то, что все указаные биты выставляются как я тебе и говорил, причем выставляются одновременно для всего байта. Дальше Return дело не пойдет — программа кончилась. Вскрытие
Вначале будет ботва из серии: 00000000: 940C002A JMP 0x0000002A Jump
+00000002: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000004: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000006: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000008: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000000A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000000C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000000E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000010: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000012: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000014: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000016: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000018: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000001A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000001C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000001E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000020: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000022: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000024: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000026: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000028: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump Это таблица векторов прерываний. К ней мы еще вернемся, пока же просто посмотри и запомни, что она есть. Первая колонка — адрес ячейки флеша в которой лежит команда, вторая код команды третья мнемоника команды, та самая ассемблерная инструкция, третья операнды команды. Ну и автоматический коммент. 0000002B: BE1F OUT 0x3F,R1 Out to I/O location Запись этого нуля по адресу 0x3F, Если ты поглядишь в колонку I/O view, то ты увидишь что адрес 0x3F это адрес регистра SREG — флагового регистра контроллера. Т.е. мы обнуляем SREG, чтобы запустить программу на нулевых условиях. 0000002C: E5CF LDI R28,0x5F Load immediate
+0000002D: E0D4 LDI R29,0x04 Load immediate
+0000002E: BFDE OUT 0x3E,R29 Out to I/O location
+0000002F: BFCD OUT 0x3D,R28 Out to I/O location Это загрузка указателя стека. Напрямую грузить в I/O регистры нельзя, только через промежуточный регистр. Поэтому сначала LDI в промежуточный, а потом оттуда OUT в I/O. О стеке я тоже еще расскажу подробней. Пока же знай, что это такая динамическая область памяти, висит в конце ОЗУ и хранит в себе адреса и промежуточные переменные. Вот сейчас мы указали на то, откуда у нас будет начинаться стек. 00000032: 940C0041 JMP 0x00000041 Jump Прыжок в сааааамый конец программы, а там у нас запрет прерываний и зацикливание наглухо само на себя: 00000041: 94F8 CLI Global Interrupt Disable
+00000042: CFFF RJMP PC-0x0000 Relative jump Это на случай непредвиденых обстоятельств, например выхода из функции main. Из такого зацикливания контроллер можно вывести либо аппаратным сбросом, либо, что вероятней, сбросом от сторожевой собаки — watchdog. Ну или, как я говорил выше, подправить это мест в хекс редакторе и ускакать куда нам душе угодно. Также обрати внимание на то, что бывает два типа переходов JMP и RJMP первый это прямой переход по адресу. Он занимает четыре байта и может сделать прямой переход по всей области памяти. Второй тип перехода — RJMP — относительный. Его команда занимает два байта, но переход он делает от текущего положения (адреса) на 1024 шага вперед или назад. И в его параметрах указывается смещение от текущей точки. Используется чаще, т.к. занимает в два раза меньше места во флеше, а длинные прееходы нужны редко. 00000034: 940C0000 JMP 0x00000000 Jump А это прыжок в самое начало кода. Перезагрузка своего рода. Можешь проверить, все вектора прыгают сюда. Из этого вывод — если ты сейчас разрешишь прерывания (они по дефолту запрещены) и у тебя прерывание пройзойдет, а обработчика нет, то будет программный сброс — программу кинет в самое начало. Функция main. Все аналогично, даже можно и не описывать. Посмотри только что в регистры заносится уже вычисленное число. Препроцессор компилятора рулит!!! Так что никаких «магических» чисел! 00000036: E383 LDI R24,0x33 Load immediate
+00000037: B989 OUT 0x09,R24 Out to I/O location
15: UBRRH = HI(bauddivider);
+00000038: BC10 OUT 0x20,R1 Out to I/O location
16: UCSRA = 0;
+00000039: B81B OUT 0x0B,R1 Out to I/O location
17: UCSRB = 1< А вот тут косяк: 0000003E: E080 LDI R24,0x00 Load immediate
+0000003F: E090 LDI R25,0x00 Load immediate
+00000040: 9508 RET Subroutine return Спрашивается, для чего это компилятор добавляет такую ботву? А это не что иное, как Return 0, функцию то мы определили как int main(void) вот и просрали еще целых четыре байта не пойми на что:) А если сделать void main(void) то останется только RET, но появится варнинг, что мол у нас функция main ничего не возвращает. В общем, поступай как хошь:) Сложно? Вроде бы нет. Пощелкай пошаговое исполнение в режиме дизассемблера и позырь как процессор выполняет отдельные инструкции, что при этом происходит с регистрами. Как происходит перемещение по командам и итоговое зацикливание. Продолжение следует через пару дней … Offtop:
Характеристики: В данном примере применения описывается как настроить AVR микроконтроллеры для самопрограммирования при помощи команд сохранения памяти программы (SPM). AVR микроконтроллеры могут связываться через UART с персональными компьютерами, на которых запущена программа программирования AVRprog. Она позволяет программировать микроконтроллеры с Flash и EEPROM памятью без помощи внешнего аппаратного программатора. Программа загрузчика находится в загрузочной области Flash памяти. Эта программа устанавливает связь с ведущим персональным компьютером и облегчает программирование Flash и EEPROM памяти микроконтроллера. Однажды запрограммированные различные уровни защиты могут быть индивидуально применены для программирования загрузочной памяти и Flash памяти прикладной программы. Таким образом, AVR микроконтроллеры имеют уникальную возможность обеспечения различной степени защиты областей встроенной памяти. Обсуждение SPM Ниже приведены различные рассуждения, позволяющие лучше понять способность самопрограммирования AVR микроконтроллеров. Организация памяти Flash память AVR микроконтроллеров разделена на две области: секция прикладной программы и секция программы загрузчика. Область прикладной программы содержит код основной прикладной программы, а область загрузчика содержит код программы, позволяющей осуществлять самопрограммирование микроконтроллера. SPM команды могут выполняться только из области загрузчика. (Замечание: тем не менее, область загрузчика может использоваться в качестве обычной памяти прикладной программы). Flash память разделена на страницы, каждая из которых содержит 32, 64 или 128 слов. Назначение и использование страниц будет объяснено позже. Вся память (и память прикладной программы и память загрузчика) разделена на страницы. Например, микроконтроллер с 8 килобайтами Flash памяти и размером страницы 32 слова (64 байта) будет иметь 128 страниц. Организация памяти показана на рисунке 1. Рисунок 1. Организация памяти Размер области памяти загрузчика может быть установлен при помощи двух специальных конфигурационных бит BOOTSZx. Они позволяют выбрать один из четырех возможных размеров области памяти загрузчика. Установить биты BOOTSZx можно при помощи последовательного или параллельного программатора. Более подробно это рассмотрено в технических описаниях AVR микроконтроллеров. Если загрузчик реализован, то он может быть вызван путем выполнения команд Call или Jump из прикладной программы или путем установки бита специального конфигурационного бита BOOTRST. Если бит BOOTRST установлен, то после каждого сброса микроконтроллер вместо перехода к выполнению программы, начинающейся с нулевого адреса памяти прикладной программы, выполняет программу загрузки, находящуюся в области загрузчика. Изменен бит BOOTRST может быть при помощи параллельного или последовательного программатора. Возможность "чтения при записи" В дополнение к выбираемому делению памяти на прикладную и загрузочную, встроенная Flash память также разделена на два раздела с фиксированными размерами. Первый раздел - "читаемый при записи" (RWW) раздел. Второй - "не читаемый при записи" (NRWW) раздел. Размер NRWW раздела всегда равняется размеру наибольшей возможной области памяти загрузчика. Поэтому раздел загрузчика занимает весь NRWW раздел или только его часть. Деление памяти на RWW и NRWW разделы показано на рисунке 2. Отличие между этими разделами состоит в том, что NRWW секция доступна при обновлении RWW секции. К RWW секции невозможно обратиться при обновлении. Когда NRWW секция обновляется (например, обновляя непосредственно код загрузчика), вычислительное ядро останавливается. Другими словами, невозможно осуществлять чтение при записи NRWW секции, но возможно читать при записи RWW секции. Более подробно это рассмотрено в технических описаниях на микроконтроллеры. Эти функциональные возможности позволяют продолжить выполнение прикладной программы при обновлении RWW секции. Обратите внимание, что код этой программы должен содержаться в NRWW секции (не обязательно в разделе загрузчика). Более подробно это рассмотрено ниже в разделе описания прерываний. Микроконтроллеры ATmega163 и ATmega323 не имеют NRWW и RWW секций - у них имеются только деление на память загрузчика и память прикладной программы. Любое обновление Flash памяти этих микроконтроллеров приводит к остановке их вычислительного ядра. Использование SPM команды Все действия по самопрограммированию выполняются при помощи SPM команды. Выбор режима осуществляется при помощи регистра SPMCR. Структура этого регистра показана на рисунке 3. Рисунок 3. Регистр SPMCR При использовании SPM функции бит SPMEN должен быть установлен не ранее, чем за четыре цикла до выполнения команды SPM. Это необходимо для предотвращения несанкционированного обновления Flash памяти. Прикладная программа должна гарантировать отсутствие вызова подпрограмм обработки прерывания между установкой бита SPMEN и выполнением SPM команды. Другие, выделенные цветом на рисунке, четыре бита осуществляют выбор режима SPM. По окончании режима бит SPMEN автоматически сбрасывается вместе с функциональным битом.
SPM функции описаны ниже. Стирание страницы Вся Flash память обновляется страницами. Перед записью новых данных страница должна быть стерта. Для выбора страницы, подлежащей стиранию, используется Z регистр. Он предназначен для указания номера стираемой страницы. Младшие биты, выбирающие слово на странице, игнорируются. Например, в микроконтроллере, имеющем размер страницы 32 слова (64 байта), игнорируются шесть младших бит Z регистра. Для того чтобы стереть страницу необходимо установить биты PGERS и SPMEN в регистре SPMCR и выполнить команду SPM. Перед записью новых данных в страницу необходимо сначала стереть буфер страниц. Буфер страниц - это доступный только для записи отдельный буфер, не относящийся к ОЗУ, который содержит одну временную страницу. Страницы в него должны заноситься последовательно. Перезапись буфера страниц во FLash память происходит за одну операцию. Для выбора слова, которое будет записано в буфер, используется Z регистр. МЗБ Z регистра игнорируются так как запись всех слов происходит за одну операцию. Таким образом невозможно выбрать только один байт. При записи буфера страниц игнорируются старшие биты Z регистра. Структура Z регистра для микроконтроллера с 32 словными (64 байтовыми) страницами показана на рисунке 4. Микроконтроллеры, имеющие большие размеры страницы для выбора слов используют больше бит. Чтобы записать слово в буфер страниц необходимо загрузить его в регистры R1:R0. Для записи необходимо только записать правильное слово и установить бит SPMEN в регистре SPMCR. В течение четырех циклов после этого должна быть выполнена SPM команда. Запись страницы Данные после того, как они были загружены в буфер страниц, должны быть записаны во Flash память. Для выполнения этого необходимо, как это было описано выше в пункте описания алгоритма стирании страницы, установить Z регистр. Затем устанавливаются биты PGERS и SPMEN в регистре SPMCR, а потом в течение четырех циклов необходимо запустить SPM команду. Содержимое регистров R1:R0 при этом игнорируется. Использование Z регистра для микроконтроллера с 32 словными (64 байтными) страницами показано на рисунке 5. Для определения готовности микропроцессора к следующему обновлению необходимо опрашивать бит SPMEN. Процедура обновления может быть прервана управляющим прерыванием. Более подробно это рассмотрено ниже в разделе описания прерываний. RWW секция флагов занятости При записи и стирании страниц RWW секции аппаратно устанавливается флаг RWWSB, указывая на то, что секция недоступна. Флаг RWWSB должен быть сброшен программно по окончании SPM режима. Это выполняется установкой битов RWWSRE и SPMEN в регистре SPMCR и последующим запуском SPM команды. Также этот флаг может быть сброшен путем запуска загрузки буфера страниц. Флаг RWWSB может использоваться другими частями прикладной программы для контроля доступности RWW секции. Более подробно это рассмотрено в технических описаниях на микроконтроллеры. Обратите внимание, что содержимое Z регистра и регистров R1:R0 игнорируется при использовании RWWSRE функции. Также следует заметить, что, если после выполнения операции записи или считывания RWW секция стала доступна без переактивизации, то все адреса в RRW секции считываются как 0xFFFF. Так будет и после считывания Flash памяти при помощи LPM и после выполнения вызова или перехода в RWW секцию. Переход в RWW секцию без предварительной ее переактивизации приведет к тому, что выполнится команда, находящаяся по адресу 0xFFFF, а все предшествующие ей команды, которые должны были быть выполнены, будут пропущены. Биты блокировки загрузки Секции прикладной программы и программы-загрузчика могут быть защищены на различных уровнях. Для обоих разделов имеется четыре уровня защиты. Краткое описание этих режимов приведено в таблице 1. Таблица 1. Режимы блокировки загрузки Обратите внимание, что все эти биты могут изменяться только при помощи последовательного или параллельного программатора. Например, для микроконтроллера, прикладная программа которого будет обновляться, необходимо установить режим 1 для секции прикладной программы и режим 4 для секции загрузчика. Это препятствует доступу к программе загрузчика из прикладной программы и обеспечивает загрузчику возможность доступа к секции прикладной программы. После обновления загрузчик установит третий режим для прикладной программы, что заблокирует дальнейший доступ к ней. Для программирования битов блокировки загрузки необходимо загрузить соответствующие данные в регистр R0, установить биты BLBSET и SPMEN в регистре SPMCR и в течение четырех циклов выполнить команду SPM. Содержимое Z регистра при этом игнорируется. Использование LPM команды вместо SPM команды позволит считать биты. Прерывание При записи RWW секции возможно использование прерывания, но подпрограмма обработки прерывания не должна выбирать другую RWW секцию. Другими словами, подпрограммы обработки прерывания, включая векторы прерываний, которые будут выполняться при обновлении RWW секции, должны размещаться в NRWW секции. Для выбора двух различных таблиц векторов прерывания прикладная программа должна использовать бит IVSEL регистра GICR. При обновлении RWW секции должна использоваться одна секция прикладной программы и одна секция программы-загрузчика. Это позволяет прикладной программе продолжать критические процессы типа отслеживание политики безопасности при самопрограммировании. Более подробно это рассматривается в технических описаниях на микроконтроллеры в разделе описания прерываний и IVSEL флага. Если второй вектор прерываний не используется, то при обновлении RWW секции прерывания должны быть отключены. SPM прерывание У всех микроконтроллеров, поддерживающих режим самопрограммирования, за исключением микроконтроллеров ATmega163 и ATmega323, при помощи прерываний возможно контролировать процесс обновления Flash памяти. Установка бита SPMIE в регистре SPMCR позволит формировать SPM прерывание. Оно может использоваться для отслеживания окончания режима SPM. Конфликты EEPROM памяти Обратите внимание, что все операции записи EEPROM должны быть окончены перед выполнением SPM команды и наоборот. Запись/стирание Flash и EEPROM памяти не может происходить одновременно. Типовые процедуры обновления На рисунке 6 показаны две стандартные процедуры обновления. Левая блок - схема на этом рисунке описывает алгоритм "считывания-модификации-записи" небольших частей Flash памяти, например, констант, содержащихся во Flash памяти. Правая блок-схема описывает алгоритм записи страницы, использующийся для записи страницы без предварительного считывания ее содержимого, например, запись данных, поступивших от UART. Пример программы-загрузчика Пример программы- загрузчика, приведенный в данном примере применения, в качестве пользовательского интерфейса использует программу AVRprog, доступную на сайте www.atmel.com. Эта программа-загрузчик позволяет считывать или обновлять Flash и EEPROM память выбранного микроконтроллера. Также она позволяет считывать и обновлять биты Lock и Fuse. Протокол Протокол, использованный в примере программы-загрузчика, предназначен для работы с программатором AVRprog, хотя программа-загрузчик и не поддерживает всего набора команд. Перечень поддерживаемых команд приведен в таблице 2. Все команды начинаются с одной буквы. После выполнения команды программатор возвращает значение 13d (возврат каретки) или требуемые данные. Неизвестным командам возвращается значение «?». Таблица 2. Команды AVRProg При выполнении AVRprog.exe отыскивает на любом доступном СОМ порту любой поддерживаемый программатор. Для связи используется 19.2 кбит/с интерфейс формата 8N1 (8 информационных разрядов, нет проверки на четность и один стоповый бит). Поэтому UART приемника также должен быть настроен на работу с этой скоростью и в этом режиме. При работе с микроконтроллером ATmega161, последовательность действий при определении программатора следующая: Последовательность команд при программировании: При заполнении временного буфера: После того, как все байты переданы, выполняются следующие команды: Последовательность команд при проверке данных: AVRprog продолжает посылать «R» до тех пор, пока не будут считаны все данные, после чего посылается «L» для выхода из режима программирования. Описание программы Основная программа запускается для контроля выполнения программирования или если должна быть выполнена программа их секции прикладной программы. В данном применении это определяется значением PIND. Если на определенном пользователем выводе порта D при сбросе присутствует низкий логический сигнал, то программа войдет в режим программирования (вывод определяется в исходном тексте main.c). Если на этом выводе был высокий уровень, то программа начнет выполняться с адреса 0000$ (как при обычном сбросе). В режиме программирования управляющая программа получает команды от AVRprog через UART. Каждая команда активизирует выполнение соответствующей задачи. Эта программа не использует команды управления работой светодиода, но они реализованы для того, чтобы избежать потери синхронизации программатором AVRprog. Любая команда, которая не распознается программой, приводит к возврату программатору AVRprog символа "?". Программа main.c устанавливает связь с ведущим персональным компьютером и выполняет полученные команды. На рисунке 7 наказана блок-схема алгоритма работы этой программы. Обратите внимание, что выход из этой программы возможен только через сброс микроконтроллера. Программа UART (serial.c) всего-навсего осуществляет опрос подпрограммы UART. Как было сказано ранее, причина необходимости периодического опроса этой подпрограммы состоит в том, что при некоторых настройках битов блокировки загрузки в программе загрузчика прерывания не разрешены. Все подпрограммы, использующие SPM, написаны на ассемблере. Это сделано для того, чтобы избежать конфликтов в коде. SPM команды требуют помещать данные в Z регистр (r31:r30) и в пару регистров r1:r0. Это можно реализовать и на С, но на ассемблере проще реализовать контроль, а также позволяет снизить перегруженность С кода. Вызов процедуры Assembly В зависимости от того, какие параметры переданы при вызове процедуры Assembly, она выполняет одну из двух функций: В этой подпрограмме первый параметр - это адрес страницы, которую необходимо считать. Второй параметр указывает функцию, которая будет выполнена. Если передать значение функции 0x00, то подпрограмма вернет данные, находящиеся по указанному адресу. Если в качестве второго параметра передать значение 0x09, а в качестве адреса 0x0000, 0x0001 или 0x0003, то подпрограмма вернет значения битов Fuse, Lock Bit или Fuse High. В этом случае, основная программа игнорирует 8 старших значащих битов возвращенного целого числа. Ниже приведен листинг подпрограммы Assemly. Специальные замечания Чтобы уменьшить размер кода, необходимо произвести оптимизацию в соответствии с приведенными ниже рекомендациями: Более подробно ознакомиться с повышением эффективности кода, написанного на С можно в примере применения "AVR035: Efficient C Coding for AVR". Схемы устройств на микроконтроллерах (МК) обычно отличаются сочетанием двух трудносовместимых качеств: максимальной простотой и высокой функциональностью. К тому же функциональность может в дальнейшем меняться и расширяться без внесения каких-либо изменений в схему - путём лишь замены программы (перепрошивкой). Эти особенности объясняются тем, что создатели современных МК постарались разместить на одном кристалле всё, что только может потребоваться разработчику электронного устройства - по крайней мере настолько, насколько это возможно. В результате произошло смещение акцента со схемотехнического и монтажного на программный. С использованием МК теперь меньше приходится "нагружать" схему деталями, между компонентами становится меньше соединений. Это, конечно, делает схему более привлекательной для её повторения как опытными, так и начинающими электронщиками. Но, как обычно, за всё приходится платить. Здесь тоже не обошлось без своих сложностей. Если купить новый МК, установить его в правильно собранную из исправных деталей схему и подать питание, то ничего не получится - устройство не будет работать. Микроконтроллеру нужна программа. Казалось бы с этим тоже всё просто - в интернете можно встретить множество схем с бесплатными прошивками. Но тут возникает одна загвоздка: прошивку необходимо как-то "залить" в микроконтроллер. Для того, кто никогда этим раньше не занимался, такая задача зачастую становится проблемой и главным отталкивающим фактором, нередко заставляющим отказаться от прелестей использования МК и поискать схемы на "рассыпухе" и жесткой логике. А ведь всё не так уж сложно, как может показаться на первый взгляд. Проанализировав публикации в интернете, можно заметить, что данная проблема решается чаще всего одним из двух путей: покупкой готового программатора или изготовлением самодельного. При этом публикуемые схемы самодельных программаторов очень часто неоправданно сложны - гораздо сложнее, чем это действительно необходимо. Конечно, если предполагается каждый день прошивать МК, лучше иметь "крутой" программатор. Но если надобность в такой процедуре возникает нечасто, от случая к случаю, то можно вообще обойтись без программатора. Нет, конечно, речь идет не о том, чтобы научиться делать это силой мысли. Имеется в виду, что понимая, как происходит взаимодействие программатора с микроконтроллером при записи и считывании информации в режиме его программирования, мы можем обойтись подручными средствами более широкого назначения. Эти средства должны будут заменить как программную, так и аппаратную части программатора. Аппаратная часть должна обеспечить физическое соединение с микросхемой МК, возможность подавать логические уровни на его входы и считывать данные с его выходов. Программная часть должна обеспечить работу алгоритма, управляющего всеми необходимыми процессами. Отметим также, что качество записи информации в МК не зависит от того, насколько "крутой" у вас программатор. Такого понятия, как "лучше записалось" или "хуже" не существует. Есть только два варианта: "записалось" и "не записалось". Это объясняется тем, что непосредственно процессом записи внутри кристалла руководит сам МК. Нужно лишь обеспечить ему качественное питание (отсутствие помех и пульсаций) и правильно организовать интерфейс. Если по результатам контрольного считывания ошибок не выявлено, то все в порядке - можно использовать контроллер по назначению. Для того, чтобы, не имея программатора, записать в МК программу, нам потребуется преобразователь порта USB-RS232TTL и , а также . Конвертер USB-RS232TTL позволяет при помощи порта USB создать COM-порт, отличающийся от "настоящего" лишь тем, что на его входах и выходах используются логические уровни TTL, то есть напряжение в интервале от 0 до 5 вольт (подробнее можно почитать в статье " "). Такой конвертер в любом случае полезно иметь в "хозяйстве", так что если у вас его еще нет, непременно стоит приобрести. Что касается логических уровней, то в нашем случае TTL - это даже преимущество перед обычным COM-портом, потому что входы и выходы такого порта можно напрямую подключать к любому микроконтроллеру, питающемуся от напряжения 5 В, в том числе ATtiny и ATmega. Но не пытайтесь использовать обычный COM-порт - там используются напряжения в интервале от -12 до +12 В (либо -15...+15В). Непосредственное соединение с микроконтроллером в этом случае недопустимо!!! Идея создания скрипта для программы "Перпетуум М", реализующего функции программатора, возникла после ознакомления с рядом публикаций в интернете, предлагающих те или иные решения по прошивке МК. В каждом случае обнаруживались серьезные недостатки или чрезмерные сложности. Часто попадались схемы программаторов, содержащие в себе микроконтроллер и при этом вполне серьезно давались советы типа: "... а чтобы запрограммировать микроконтроллер для этого программатора нам потребуется... правильно - другой программатор!". Далее предлагалось сходить к другу, поискать платную услугу и т.п. Качество программного обеспечения, распространяемого в сети для этих целей, также не впечатлило - замечено множество проблем как с функциональностью, так и с "мутностью" пользовательского интерфейса. Зачастую много времени нужно потратить, чтобы понять, как использовать программу - ее необходимо изучать даже ради осуществления простейших действий. Иная программа может долго и усердно что-то делать, но о том, что ничего в МК не записывается, пользователь узнает только после полного завершения всей прошивки и последующего контрольного считывания. Встречается и такая проблема: пользователь пытается выбрать из списка поддерживаемых кристаллов свой МК, а его в списке нет. В этом случае воспользоваться программой не удастся - внесение в список недостающих МК, как правило, не предусмотрено. Кроме того ручной выбор контроллера из списка выглядит странно, если учесть, что программатор во многих случаях может сам определить тип МК. Все это сказано не для того, чтобы облить грязью существующие продукты, а для того, чтобы объяснить причину появления скрипта к программе "Перпетуум М", описываемого в данной статье. Проблема действительно существует, и она касается в первую очередь новичков, которым не всегда удается преодолеть данную "стену", чтобы сделать свой первый шаг в мир микроконтроллеров. В предлагаемом скрипте учтены недостатки, обнаруженные в других программах. Реализована максимальная "прозрачность" работы алгоритма, предельно простой интерфейс пользователя, не требующий изучения и не оставляющий шанса запутаться и "не туда нажать". При отсутствии нужного МК среди поддерживаемых есть возможность самостоятельно добавить его описание, взяв нужные данные из документации, скачанной с сайта разработчика МК. И, самое главное - скрипт открыт для изучения и модификации. Каждый желающий может, открыв в текстовом редакторе, изучать и править его на свое усмотрение, изменяя на свой вкус существующие функции и добавляя недостающие. Первая версия скрипта была создана в июне 2015 года. В этой версии реализована только поддержка Atmel"овских МК серий ATtiny и ATmega с функциями записи/чтения флэш-памяти, с настройкой конфигурационных бит, с автоматическим определением типа контроллера. Запись и чтение EEPROM не реализованы. Были планы дополнить функциональность скрипта: добавить запись и чтение EEPROM, реализовать поддержку PIC-контроллеров и т.д. По этой причине скрипт до сих пор не был опубликован. Но из-за нехватки времени осуществление задуманного затянулось, и, чтобы лучшее не становилось врагом хорошего, решено опубликовать имеющуюся версию. Если уже реализованных функций окажется недостаточно, прошу не огорчаться. В этом случае вы можете попробовать самостоятельно добавить нужную функцию. Не стану скрывать: идея создания данного скрипта изначально несет в себе еще и образовательный смысл. Разобравшись в алгоритме и добавив к нему что-то свое, вы сможете глубже понять работу МК в режиме программирования, чтобы в будущем не оказаться в положении девушки перед сломавшимся автомоблем, задумчиво разглядывающей его внутренности и не понимающей, почему "не едет". Существует несколько различных способов перевести контроллер в режим программирования и работать с ним в этом режиме. Самым простым в реализации для контроллеров серий ATtiny и ATmega является, пожалуй, SPI. Им и воспользуемся. Но, прежде чем приступить к рассмотрению сигналов, необходимых для формирования SPI, сделаем ряд оговорок. Микроконтроллер имеет конфигурационные биты. Это что-то вроде тумблеров, переключение которых позволяет менять некоторые свойства микросхемы в соответствии с нуждами проекта. Физически это ячейки энергонезависимой памяти, вроде тех, в которые записывается программа. Разница в том, что их очень мало (до трех байт для ATmega), и они не входят в адресное пространство какой-либо памяти. Запись и чтение конфигурационных данных выполняется отдельными командами режима программирования МК. Сейчас важно отметить, что некоторые конфигурационные биты влияют на саму возможность использования SPI. При некоторых их значениях может оказаться, что SPI нельзя будет использовать. Если вам попадется такой микроконтроллер, то метод, предлагаемый в данной статье, не поможет. В этом случае придется либо изменить настройки конфигурационных бит в программаторе, который поддерживает иной режим программирования, либо использовать другой микроконтроллер. Но данная проблема касается только бывших в употреблении МК, либо тех, с которыми уже кто-то неудачно "поигрался". Дело в том, что новые МК поставляются с настройками конфигурационных бит, не препятствующими использованию SPI. Это подтверждается и результатами испытаний скрипта-программатора для программы "Перпетуум М", во время которых были успешно прошиты четыре разных МК (ATmega8, ATmega128, ATtiny13, ATtiny44). Все они были новые. Начальная настройка конфигурационных бит соответствовала документации и не мешала использованию SPI. Учитывая сказанное выше, следует обращать внимание на следующие биты. Бит SPIEN в явном виде разрешает или запрещает использование SPI, следовательно в нашем случае его значение должно быть разрешающим. Бит RSTDISBL способен превратить один из выводов микросхемы (заранее предопределенный) во вход сигнала "сброс", либо не превратить (в зависимости от записанного в этот бит значения). В нашем случае вход "сброс" необходим (при его отсутствии не получится перевести МК в режим программирования через SPI). Есть еще биты группы CKSEL, задающие источник тактового сигнала. Они не препятствуют использованию SPI, но их тоже необходимо иметь в виду, потому что при полном отсутствии тактовых импульсов, либо при их частоте ниже допустимой для заданной скорости SPI, также ничего хорошего не получится. Обычно у новых МК, имеющих внутренний RC-генератор, биты группы CKSEL настроены на его использование. Нас это вполне устраивает - тактирование обеспечено без каких-либо дополнительных усилий с нашей стороны. Ни кварцевый резонатор припаивать, ни внешний генератор подключать не нужно. Если же указанные биты содержат иную настройку, придется позаботится о тактировании в соответствии с настройкой. В этом случае может потребоваться подключение к МК кварцевого резонатора или внешнего тактового генератора. Но в рамках данной статьи мы не будем рассматривать, как это делается. Примеры подключения МК для программирования, содержащиеся в данной статье, рассчитаны на самый простой случай. Теперь обратимся к рисунку 1, взятому из документации на МК ATmega128A. На нем показан процесс передачи одного байта в МК и одновременного приема одного байта из МК. Оба эти процесса, как видим, используют одни и те же тактовые импульсы, поступающие от программатора в микроконтроллер на его вход SCK - один из выводов микросхемы, для которого в режиме программирования по SPI отведена такая роль. Еще две сигнальные линии обеспечивают прием и передачу данных по одному биту за такт. Через вход MOSI данные поступают в микроконтроллер, а с выхода MISO снимаются считываемые данные. Обратите внимание на две пунктирные линии, проведенные от SCK к MISO и MOSI. Они показывают, в какой момент микроконтроллер "проглатывает" выставленный на входе MOSI бит данных, и в какой момент сам выставляет на выход MISO свой бит данных. Все достаточно просто. Но чтобы ввести МК в режим программирования нам еще потребуется сигнал RESET. Не забудем также про общий провод GND и питание VCC. В общей сложности выходит, что к микроконтроллеру для его прошивки по SPI нужно подключить всего 6 проводков. Ниже разберем это подробнее, а пока добавим, что обмен данными с МК в режиме программирования по SPI выполняется пакетами по 4 байта. Первый байт каждого пакета в основном полностью отводится под кодирование команды. Второй байт в зависимости от первого может быть продолжением кода команды, либо частью адреса, а может иметь произвольное значение. Третий байт используется в основном для передачи адресов, но во многих командах может иметь произвольное значение. Четвертый байт обычно передает данные, либо имеет произвольное значение. Одновременно с передачей четвертого байта в некоторых командах принимаются данные, поступающие из МК. Подробности по каждой команде можно найти в документации на контроллер в таблице под названием "SPI Serial Programming Instruction Set". Пока отметим лишь, что весь обмен с контроллером построен из последовательности 32-битных пакетов, в каждом из которых передается не более одного байта полезной информации. Это не очень оптимально, но в целом работает неплохо.
Чтобы обеспечить подачу на входы микроконтроллера всех необходимых сигналов для организации интерфейса SPI и чтение данных с его выхода MISO, не обязательно создавать программатор. Это легко осуществить при помощи самого обыкновенного конвертера USB-RS232TTL. В интернете часто можно встретить информацию о том, что такие конвертеры неполноценны, что с ними ничего серьезного сделать нельзя. Но в отношении большинства моделей конвертеров такое мнение ошибочно. Да, существуют в продаже конвертеры, у которых доступны не все входы и выходы по сравнению со стандартным COM-портом (например, только TXD и RXD), имеющие при этом неразборную конструкцию (микросхема залита пластмассой - невозможно добраться до ее выводов). Но такие и покупать не стоит. В некоторых случаях получить недостающие входы и выходы порта можно, подпаяв проводки непосредственно к микросхеме. Пример такого "усовершенствованного" конвертера показан на рисунке 2 (микросхема PL-2303 - подробнее о назначении ее выводов в статье " "). Это одна из самых дешевых моделей, но обладающая своими преимуществами при использовании в самодельных конструкциях. Широко распространены и полнофункциональные шнуры-переходники со стандартным девятиконтактным разъемом на конце, как у COM-порта. От обычного COM-порта они отличаются только уровнями TTL и несовместимостью с устаревшим программным обеспечением и некоторым старым оборудованием. Можно еще отметить, что шнуры на микросхеме CH34x на различных экстремальных тестах показывают себя гораздо более надежными и стабильными по сравнению с преобразователями на PL-2303. Впрочем, при обычном использовании разница не заметна.
При выборе конвертера USB-RS232TTL следует также обращать внимание на совместимость его драйвера с версией используемой операционной системы. Рассмотрим подробнее принцип соединения микроконтроллера и конвертера USB-RS232TTL на примере четырех разных моделей МК: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128. На рисунке 3 показана общая схема такого соединения. Вас может удивить, что сигналы RS232 (RTS, TXD, DTR и CTS) используются не по назначению. Но не стоит об этом беспокоиться: программа "Перпетуум М" способна работать с ними напрямую - устанавливать значения на выходах и читать состояния входа. Во всяком случае широко распространенные конвертеры USB-RS232TTL на микросхемах CH34x и PL-2303 такую возможность обеспечивают - это проверено. С другими популярными конвертерами также проблем быть не должно, так как для доступа к порту используются стандартные функции Windows. Резисторы, показанные на общей схеме, в принципе можно не устанавливать, но все-таки лучше установить. Каково их назначение? Используя ТТЛ"овские входы и выходы конвертера и пятивольтное питание микроконтроллера, мы тем самым избавляемся от необходимости согласования логических уровней - все и так вполне корректно. Значит, соединения могут быть непосредственными. Но во время экспериментов бывает всякое. Например по закону подлости отвертка может упасть как раз в то место, куда она никак не могла бы упасть, и замкнуть то, что ни в коем случае нельзя замыкать. В роли "отвертки", конечно, может оказаться все, что угодно. Резисторы в этом случае иногда уменьшают последствия. Еще одно их назначение состоит в устранении возможного конфликта выходов. Дело в том, что по окончании программирования микроконтроллер переходит в обычный режим работы, и может так получиться, что его вывод, соединенный с выходом конвертера (RTS, TXD или DTR) тоже становится выходом, согласно только что записанной в МК программе. В этом случае будет очень нехорошо, если два напрямую соединенных выхода будут "бороться" - пытаться установить разные логические уровни. В такой "борьбе" кто-то может и "проиграть", а нам этого не надо. Номиналы трех резисторов выбраны на уровне 4,3 КОм. Это касается соединений выход конвертера - вход микроконтроллера. Точность резисторов роли не играет: можно уменьшить их сопротивление до 1 КОм или увеличить до 10 КОм (но во втором случае увеличивается риск помех при использовании длинных проводов на пути к МК). Что же касается соединения вход конвертера (CTS) - выход микроконтроллера (MISO), то здесь применен резистор сопротивлением 100 Ом. Это объясняется особенностями входа использованного конвертера. Во время испытаний был использован конвертер на микросхеме PL-2303, входы которой, судя по всему, подтянуты к плюсу питания относительно низким сопротивлением (порядка нескольких сот Ом). Чтобы "перебить подтяжку" пришлось поставить резистор со столь маленьким сопротивлением. Впрочем, можно его вообще не ставить. На конвертере это всегда вход. Выходом он стать не может, а значит, конфликта выходов не будет при любом развитии событий.
Если микросхема имеет отдельный вывод AVCC для питания аналогово-цифрового преобразователя (например, ATmega8 или ATmega128), его следует соединить с выводом общего питания VCC. Некоторые микросхемы имеют более одного вывода питания VCC или более одного GND. Например, ATmega128 имеет 3 вывода GND и 2 вывода VCC. В постоянной конструкции одноименные выводы лучше соединить между собой. В нашем же случае на время программирования можно задействовать по одному выводу VCC и GND. А вот как выглядит подключение ATtiny13. На рисунке показано назначение выводов, используемых при программировании через SPI. Рядом на фото - как временное подключение выглядит в реальности. Кто-то может сказать, что это несерьезно - соединения на проводках. Но мы же с вами люди здравомыслящие. Наша цель состоит в том, чтобы запрограммировать микроконтроллер, затратив на это минимум времени и прочих ресурсов, а не в том, чтобы перед кем-то покрасоваться. Качество при этом не страдает. Метод "на проводках" в данном случае вполне эффективен и оправдан. Прошивка контроллера - процедура разовая, поэтому нет смысла обвешивать ее "стразиками". Если же предполагается менять прошивку в дальнейшем, не извлекая контроллер из схемы (в готовом изделии), то это учитывается в монтаже при изготовлении устройства. Обычно для этой цели устанавливается разъем (RESET, SCK, MOSI, MISO, GND), а МК может быть прошит даже после установки на плату. Но это уже творческие изыски. Мы же рассматриваем самый простой случай. Теперь перейдем к МК ATtiny44. Здесь все примерно так же. По рисунку и фото даже новичку не составит труда разобраться с подключением. Подобно ATtiny44 можно подключать МК ATtiny24 и ATtiny84 - назначение выводов у этой троицы совпадает. Еще один пример временного подключения контроллера для его программирования - ATmega8. Здесь выводов побольше, но принцип тот же - несколько проводков, и вот уже контроллер готов к "заливке" в него информации. Лишний черный провод на фото, идущий от вывода 13, в программировании участия не принимает. Он предназначен для снятия с него звукового сигнала после выхода МК из режима программирования. Это связано с тем, что во время отладки скрипта для "Перпетуум М" в МК закачивалась программа музыкальной шкатулки. Часто один контроллер выпускается в разных корпусах. При этом назначение выводов для каждого корпуса распределено по-своему. Если корпус вашего контроллера не похож на тот, что изображен на рисунке, уточните назначение выводов по технической документации, скачать которую можно с сайта разработчика МК. Для полноты картины посмотрим подключение микросхемы МК с большим числом "ножек". Назначение лишнего черного провода на фото, идущего от вывода 15, точно такое же, как в случае с ATmega8. Вероятно, вы уже убедились, что все достаточно просто. Кто умеет считать выводы у микросхем (от метки по кругу против часовой стрелки), тот разберется. И не забывайте про аккуратность. Микросхемы любят аккуратных и не прощают небрежного к себе отношения. Прежде чем переходить к программной части, убедитесь, что драйвер конвертера USB-RS232TTL корректно установлен (проверьте диспетчер устройств Windows). Запомните или запишите номер виртуального COM-порта, появляющегося при подключении конвертера. Этот номер нужно будет вписать в текст скрипта, о котором читайте ниже. С аппаратной частью "программатора" разобрались. Это уже полдела. Теперь осталось разобраться с программной частью. Ее роль будет выполнять программа "Перпетуум М" под управлением скрипта, в котором и реализованы все необходимые функции по взаимодействию с микроконтроллером. Архив со скриптом следует распаковать в ту же папку, где находится программа perpetuum.exe. В этом случае при запуске файла perpetuum.exe на экран будет выводиться меню со списком установленных скриптов, среди которых будет строка "Программатор МК AVR" (она может быть единственной). Именно эта строка нам и потребуется. Скрипт находится в папке PMS в файле "Программатор МК AVR.pms". Этот файл можно просматривать, изучать и править при необходимости в обычном текстовом редакторе вроде "Блокнота" Windows. Перед использованием скрипта скорее всего потребуется внести изменения в текст, связанные с настройкой порта. Для этого уточните в диспетчере устройств Windows имя используемого порта и, при необходимости, внесите соответствующую поправку в строку "ИмяПорта="COM4";" - вместо цифры 4 может стоять другая цифра.
Также при использовании другой модели конвертера USB-RS232TTL может потребоваться изменение настроек инвертирования сигналов (строки скрипта, начинающиеся со слова "Высокий"). Проверить инвертирование сигналов конвертером USB-RS232TTL можно с помощью одного из примеров, содержащегося в инструкции к программе "Перпетуум М" (раздел функций для работы с портом). Во вложенной папке MK_AVR находятся файлы с описаниями поддерживаемых контроллеров. Если нужного контроллера среди них не окажется, вы можете добавить нужный самостоятельно, действуя по аналогии. Возьмите за образец один из файлов, и при помощи текстового редактора введите необходимые данные, взяв их из документации на свой микроконтроллер. Главное - будьте внимательны, вводите данные без ошибок, иначе МК не запрограммируется, или запрограммируется неправильно. В исходной версии поддерживаются 6 микроконтроллеров: ATtiny13, ATtiny24, ATtiny44, ATtiny84, ATmega8 и ATmega128. В скрипте реализовано автоматическое распознавание подключенного контроллера - вручную указывать не нужно. При отсутствии считанного из МК идентификатора среди имеющихся описаний, выдается сообщение, что распознать контроллер не удалось. В архиве со скриптом содержится также дополнительная информация. В папке "inc-файлы контроллеров AVR" находится очень полезная и обширная коллекция файлов описаний контроллеров. Эти файлы используются при написании собственных программ для МК. Еще четыре папки "MusicBox_..." содержат файлы с программой на Ассемблере и готовой к закачке в МК прошивкой отдельно для ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128. Если вы уже подключили один из этих МК для программирования, как это предложено в данной статье, то можете прямо сейчас его прошить - получится музыкальная шкатулка. Об этом ниже. При выборе в меню скриптов строчки "Программатор МК AVR", скрипт начинает исполняться. При этом он открывает порт, посылает в МК команду перехода в режим программирования, принимает подтверждение от МК об успешном переходе, запрашивает идентификатор МК и отыскивает описание данного МК по его идентификатору среди имеющихся файлов с описаниями. Если не находит нужного описания, выдает соответствеющее сообщение. Если же описание найдено, далее открывается главное меню программатора. Его скриншот вы можете видеть на рисунке 8. Далее разобраться не сложно - меню очень простое. В первой версии скрипта некоторые функции полноценного программатора не реализованы. Например, нет возможности читать и писать в EEPROM. Но если вы откроете скрипт в текстовом редакторе, то увидите, что он имеет очень небольшой размер при том, что основное в нем уже реализовано. Это говорит о том, что добавить недостающие функции не так уж и сложно - язык очень гибкий, он позволяет в небольшой программе реализовать богатую функциональность. Но для большинства случаев хватит даже имеющихся функций. Некоторые ограничения функциональности описаны непосредственно в тексте скрипта: Если у вас есть один из этих микроконтроллеров: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 или ATmega128, вы можете легко превратить его в музыкальную шкатулку или музыкальную открытку. Для этого достаточно записать в МК соответствующую прошивку - одну из тех четырех, которые размещены в папках "MusicBox_..." в одном архиве со скриптом. Коды прошивок хранятся в файлах с расширением ".hex". Использовать ATmega128 для такой поделки, конечно, "жирновато", как и ATmega8. Но это может быть полезно для тестирования или экспериментов, иначе говоря - в учебных целях. Тексты программ на Ассемблере также прилагаются. Программы создавались не с нуля - за основу была взята программа музыкальной шкатулки из книги А.В.Белова "Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике". Исходная программа претерпела ряд существенных изменений: В некоторых мелодиях слышится фальшь и даже грубые ошибки, особенно в "Улыбке" - в середине. Коды мелодий взяты из книги (а точнее - скачаны с сайта автора книги вместе с исходным asm-файлом) и не подвергались изменениям. Судя по всему, в кодировке мелодий имеются ошибки. Но это не проблема - кто "дружит" с музыкой, без труда во всем разберется и исправит. В ATtiny13 из-за отсутствия 16-битного счетчика для воспроизведения нот пришлось использовать 8-битный, что привело к некоторому снижению точности звучания нот. Но на слух это мало заметно. Насчет конфигурационных бит. Их настройка должна соответствовать состоянию нового микроконтроллера. Если ваш МК ранее где-то использовался, нужно проверить состояние его конфигурационных бит, и, при необходимости, привести их в соответствие настройкам нового микроконтроллера. Узнать состояние конфигурационных бит нового микроконтроллера можно из документации на этот МК (раздел "Fuse Bits"). Исключение составляет ATmega128. У этого МК имеется бит M103C, который включает режим совместимости с более старым ATmega103. Активизация бита M103C сильно урезает возможности ATmega128, причем у нового МК этот бит активен. Нужно сбросить M103C в неактивное состояние. Для манипуляций с конфигурационными битами используйте соответствующий раздел меню скрипта-программатора. Схему музыкальной шкатулки приводить нет смысла: в ней только микроконтроллер, питание и пьезозвукоизлучатель. Питание подается точно так же, как мы это проделали при программировании МК. Звукоизлучатель подключается между общим проводом (вывод GND контроллера) и одним из выводов МК, номер которого можно посмотреть в файле с ассемблерным кодом программы (*.asm). В начале текста программы для каждого МК в комментариях имеется строчка: "звуковой сигнал формируется на выводе ХХ". При завершении работы скрипта - программатора микроконтроллер выходит из режима программирования и переходит в обычный режим работы. Сразу же начинается воспроизведение мелодий. Подключив звукоизлучатель, можно это проверить. Оставлять звукоизлучатель подключенным во время программирования кристалла можно только в том случае, если звук снимается с вывода, не задействованного в SPI, иначе дополнительная емкость на выводе может помешать программированию. Теперь, когда мы уже ознакомлены с некоторыми возможностями и функциями микроконтроллеров, естественно, возникает логичный вопрос: что нужно для программирования микроконтроллеров? Какие необходимы программы и устройства, где их взять?
Для того чтобы микроконтроллер мог решать задачи и выполнять определенные функции, его нужно запрограммировать, т. е. записать в него программу или же код программы.
Первым делом, прежде чем приступить к написанию любой программы, а точнее кода программы, следует четко представлять, какие функции будет выполнять микроконтроллер. Поэтому сначала нужно определить конечную цель программы. Когда она определена и полностью понятна, тогда составляется алгоритм работы программы. Алгоритм – это последовательность выполнения команд. Применение алгоритмов позволяет более четко структурировать процесс написания кода, а при написании сложных программ часто позволяет сократить время, затрачиваемое на их разработку и отладку.
Следующим этапом после составления алгоритма является непосредственное написание кода программы. Программы для микроконтроллеров пишутся на языке Си
или Ассемблере
. Только Ассемблер больше относится к набору инструкций, нежели к языку программирования и является языком низкого уровня.
Мы будем писать программы на Си, который относится к языку высокого уровня. Программы на Си пишутся гораздо быстрее по сравнению с аналогичными на Ассемблере. К тому же все сложные программы пишутся преимущественно на Си.
Здесь мы не будем сравнивать преимущества и недостатки написания программ на Ассемблере и Си. Со временем, приобретя некоторый опыт в программировании МК, вы сами для себя сделаете полезные выводы.
Сам код программы можно писать в любом стандартном текстовом редакторе, например в Блокноте. Однако на практике пользуются более удобными редакторами, о которых будет сказано далее.
Написанный нами код на Си еще вовсе не понятен микроконтроллеру, поскольку МК понимает команды только в двоичной (или шестнадцатеричной) системе, которая представляет собой набор нулей и единиц. Поэтому Си-шный код нужно преобразовать в нули и единицы. Для этого применяется специальная программа, называемая компилятор
, а сам процесс преобразования кода называется компиляция
.
Для прошивки МК применяется устройство, называемое программатор
. В зависимости от типа программатора вход его подключается к COM или USB порту, а выход к определенным выводам микроконтроллера.
Существует широкий выбор программаторов и отладочных плат, однако нас вполне устроит самый простой программатор
, который в Китае стоит не более 3 $.
После того, как микроконтроллер прошит, выполняется отладка и тестирование программы на реальном устройстве или, как еще говорят, на «железе».
Теперь давайте подытожим этапы программирования микроконтроллеров.
При написании простых программ можно обойтись без второго пункта, т. е. без составления алгоритма на бумаге, его достаточно держать в голове.
Следует заметить, что отладку и тестирование программы также выполняют до прошивки МК.
Существует множество полезных и удобных программ для программирования МК. Они бывают как платные, так и бесплатные. Среди них можно выделить три основных:
1) Atmel Studio
2) CodeVisionAVR
3) WinAVR
Все эти программы относятся к IDE
– I
ntegrated D
evelopment E
nvironment – интегрированная среда разработки
. В них можно писать код, компилировать и отлаживать его.
Следует обратить внимание на Code Vision AVR. Эта IDE позволяет упростить и ускорить написание кода. Однако программа платная.
На начальном этапе программирования все программы лучше прописывать вручную, без каких-либо упрощений. Это поможет быстро приобрести необходимые навыки, а в дальнейшем хорошо понимать и редактировать под свои нужды коды, написанные кем-то другим. Поэтому я рекомендую использовать программу Atmel Studio. Во-первых, она абсолютно бесплатна и постоянно обновляется, а во-вторых она разработана компанией, изготавливающей микроконтроллеры на которых мы будем учиться программировать.
Прошивать микроконтроллеры мы будем с помощью дополнительной программы
.
Если микроконтроллера в наличии нет, то его работу можно эмитировать с помощью программы . Она значительно упрощает процесс отладки программы даже при наличии МК, чтобы его часто не перепрошивать, ведь любой МК имеет конечное число перезаписей, хотя это число и достаточно большое.
При прошивке и отладке МК его удобно располагать на макетной плате, но это вовсе не обязательно. Поэтому для большего удобства пригодится и макетная плата. Существует большой выбор макетных плат, однако я вам рекомендую брать ту, которая имеет по возможности большее число отверстий. Когда мы начнем подключать семисегментные индикаторы, вы оцените преимущества «больших» макетных плат.
Еще один важный элемент, который нам пригодится – это техническая документация на МК, называемая datasheet
. В общем, нужно скачать datasheet на микроконтроллер ATmega8
.
Ну, а LO
и HI
из этого результата возьмут младший и старший байты, т.к. в один байт оно явно может не влезть. В HI
делается сдвиг икса (входной параметр макроса) восемь раз в вправо, в результате от него останется только старший байт. А в LO
мы делаем побитовое И с числом 00FF, в результате останется только младший байт.
Все эти «UBRRL и Со» это регистры конфигурации UART передатчика с помощью которого мы будем общаться с миром. И сейчас мы присвоили им нужные значения, настроив на нужную скорость и нужный режим.
Пробежали всякие прогресс бары, студия переменилась и возле входа в функцию main появилась желтая стрелочка. Это то где процессор в текущий момент, а симуляция на паузе.
Теперь сбрось симуляцию в ноль. Нажми там Reset (Shift+F5)
. Открывай дизассемблированный листинг, сейчас ты увидишь что происходит в контроллере в самом деле. View -> Disassembler
. И не ЫЫАААА!!! Ассемблер!!! УЖОС!!! А НАДО. Чтобы потом, когда что то пойдет не так, не тупил в код и не задавал ламерских вопросах на форумах, а сразу же лез в потроха и смотрел где у тебя затык. Ничего там страшного нет. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
+00000000: 940C002A JMP 0x0000002A Jump
+00000002: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000004: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000006: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000008: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000000A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000000C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000000E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000010: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000012: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000014: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000016: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000018: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000001A: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000001C: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+0000001E: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000020: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000022: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000024: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000026: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
+00000028: 940C0034 JMP 0x00000034 Jump
Так вот, если ты посмотришь, то тут сплошные переходы. А код команды JMP четырех байтный, в нем содержится адрес перехода, записанный задом наперед — младший байт по младшему адресу и код команды перехода 940C 1
2
3
4
+0000002C: E5CF LDI R28,0x5F Load immediate
+0000002D: E0D4 LDI R29,0x04 Load immediate
+0000002E: BFDE OUT 0x3E,R29 Out to I/O location
+0000002F: BFCD OUT 0x3D,R28 Out to I/O location
1
2
+00000041: 94F8 CLI Global Interrupt Disable
+00000042: CFFF RJMP PC-0x0000 Relative jump
1
+00000034: 940C0000 JMP 0x00000000 Jump
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
< 1
2
3
+0000003E: E080 LDI R24,0x00 Load immediate
+0000003F: E090 LDI R25,0x00 Load immediate
+00000040: 9508 RET Subroutine return
Alexei78
сварганил плагинчик для файрфокса облегчающий навигацию по моему сайту и форуму.
Обсуждение и скачивание, Введение
Рисунок 2. Деление памяти на RWW и NRWW разделы
Рисунок 4. Запись в буфер страниц
Рисунок 5. Запись страницы во Flash память
Рисунок 6. Блок-схемы стандартных процедур обновленияКоманда
Запись ведущим
Считывание ведущим
ID
Данные
Данные
Вход в режим программирования
«P»
13d
Автоматическое увеличение адреса
«a»
dd
Установка адреса
«A»
ah al
13d
Запись младшего байта в память программы
«c»
dd
13d
Запись старшего байта в память программы
«C»
dd
13d
Окончание записи страницы
«m»
13d
Считывание битов Lock
«r»
dd
Считывание памяти программы
«R»
dd (dd)
Считывание памяти данных
«d»
dd
Запись памяти данных
«D»
dd
13d
Стирание кристалла
«e»
13d
Запись битов Lock
«l»
dd
13d
Запись битов Fuse
«f»
dd
13d
Считывание битов Fuse
«F»
dd
Считывание старших битов Fuse
«N»
dd
Выход из режима программирования
«L»
13d
Выбор типа микроконтроллера
«T»
dd
13d
Считывание байтов подписи
«s»
3*dd
Возвращение кода поддерживаемого микроконтроллера
«t»
n* dd
00d
Возвращение идентификатора программы
«S»
s
Возвращение версии программы
«V»
dd dd
Возвращение версии аппаратных средств
«v»
dd dd
Возвращение типа программатора
«p»
dd
Включение светодиода
«x»
dd
13d
Выключение светодиода
«y»
dd
13d
Рисунок 7. Блок-схема алгоритма работы основной программы
// Program address space (internal Flash memory)
-Z(CODE)INTVEC,RCODE,CDATA0,CDATA1,CCSTR,SWITCH,
FLASH,CODE=3C00-3FFF
В результате этого код будет расположен в загрузочном блоке. Кроме того, для задания адреса вектора сброса $1E00 Fuse бит BOOTRST должен быть установлен.
Это реализуется путем проверки состояния определенного вывода при сбросе. Если все выводы находятся в высоком состоянии, то программа-загрузчик осуществляет переход к выполнению основной программы. Реализовано это может быть на С при помощи следующей последовательности команд:
пусто (*funcptr) (пусто) = 0x0000; // установка указателя функции
funcptr (); // переход по указанному адресу1. Преимущества предлагаемого способа
2. Интерфейс МК в режиме программирования
Рис. 1. Обмен данными по SPI в режиме программирования
3. Подключение МК для программирования
4. Скрипт - программатор для "Перпетуум М"
//реализована запись только с нулевого адреса (Extended Segment Address Record игнорируется, LOAD OFFSET - тоже)
//порядок и непрерывность следования записей в HEX-файле не проверяется
//контрольная сумма не проверяется
Это касается работы с HEX-файлом, из которого берется код прошивки для МК. Если этот файл не искажен, проверка контрольной суммы ни на что не повлияет. Если искажен - средствами скрипта это выявить не удастся. Остальные ограничения в большинстве случаев не помешают, но иметь в виду их все-таки нужно.
5. Музыкальная шкатулка - простая поделка для начинающих
1. адаптирована для каждого из четырех МК: ATtiny13, ATtiny44, ATmega8 и ATmega128
2. ликвидированы кнопки - к контроллеру вообще ничего не нужно подключать, кроме питания и звукоизлучателя
(мелодии воспроизводятся одна за другой в бесконечном цикле)
3. длительность каждой ноты уменьшена на длительность паузы между нотами для устранения нарушения музыкального ритма
4. подключена восьмая мелодия, незадействованная в книжной версии
5. из субъективного: некоторые "улучшайзинги" для оптимизации и более легкого восприятия алгоритма
Структура и порядок написания программы
Компиляция программы
Необходимый набор программ
Прошивка и отладка программы
